基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測研究

黃 瑩

（國網(wǎng)資陽供電公司，四川 資陽 641300）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電力應(yīng)用日趨增加，電網(wǎng)發(fā)生了很大的結(jié)構(gòu)形變化，為了實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的合理分配，需要利用現(xiàn)代電力運(yùn)行數(shù)據(jù)對電網(wǎng)未來變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而對于電網(wǎng)利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷預(yù)測是了解電網(wǎng)運(yùn)行狀況的重要技術(shù)支持。電網(wǎng)的三相不對稱是對電網(wǎng)供電質(zhì)量進(jìn)行分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，而造成電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡的原因大致可以分為3種，分別是線路中元件因素、線路因素及負(fù)荷因素導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，而出現(xiàn)的此類故障是一種長期現(xiàn)象[1-2]。對于出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象的電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性會受到嚴(yán)重影響，嚴(yán)重的導(dǎo)致電力運(yùn)行出現(xiàn)大面積故障。而隨著現(xiàn)代智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測至關(guān)重要。而傳統(tǒng)的預(yù)測方法主要是利用統(tǒng)計方法、回歸分析及卡爾曼方式進(jìn)行分析式預(yù)測，以上方法可對電網(wǎng)進(jìn)行短期預(yù)測。但是，隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提高，利用傳統(tǒng)的分析式方法已不能滿足需要。本文利用大數(shù)據(jù)開展電網(wǎng)系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷預(yù)測分析研究，以供參考。

1 負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

本文研究的負(fù)荷預(yù)測模型是基于短期開展的，短期電力負(fù)荷預(yù)測是提前數(shù)天實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)負(fù)荷的預(yù)測，而在電力負(fù)荷預(yù)測過程中，如果預(yù)測值與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差，需要在短時間內(nèi)進(jìn)行重新預(yù)測，從而對電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。圖1為本文實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測所需要利用的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 負(fù)荷預(yù)測硬件結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，系統(tǒng)硬件共分為3個部分，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、負(fù)荷預(yù)測模塊及上報模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊是實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集；負(fù)荷預(yù)測模塊是利用大數(shù)據(jù)同時結(jié)合數(shù)據(jù)采集分析結(jié)果預(yù)測未來負(fù)荷，其中包括短期、超短期及擴(kuò)展短期3種負(fù)荷預(yù)測分析，短期是實(shí)現(xiàn)24 h及一周內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測，超短期是利用數(shù)據(jù)采集模塊對未來1 h負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測分析，擴(kuò)展短期預(yù)測是實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)未來2～5 h負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測分析。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

硬件部分的數(shù)據(jù)采集主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析兩部分功能，其中數(shù)據(jù)采集是通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行電流、電壓、氣象信息、電價及其他負(fù)荷相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)分析是對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過將實(shí)時采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、傳輸及反饋，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷預(yù)測提供實(shí)時有效的數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)對不平衡負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，需要對電網(wǎng)運(yùn)行的電壓、電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用STM32F103單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量采集，同時利用RS485總線采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。本文采用的單片機(jī)性價比高、內(nèi)部資源豐富，運(yùn)行頻率可以達(dá)到72 MHz。在進(jìn)行信號采集時，利用HCNR201光耦作為信號隔離，實(shí)現(xiàn)對外部信號與單片機(jī)內(nèi)部電路進(jìn)行隔離。利用單片機(jī)內(nèi)部集成的AD采集模塊實(shí)現(xiàn)對多路信號的采集。

1.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，需要利用+5 V電源，本文所使用的電源系統(tǒng)如圖2所示。通過系統(tǒng)中存在的+15 V電源作為輸入端，利用Lm7805進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)+5 V電源輸出。

圖2 數(shù)據(jù)采集電源電路

1.3 負(fù)荷預(yù)測開關(guān)電路設(shè)計

在電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測過程中，其預(yù)測精度在很大程度上受預(yù)測模塊的影響。通過上述對電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)測分析，主要可以分為短期預(yù)測、超短期預(yù)測及擴(kuò)展短期預(yù)測，對于各類預(yù)測的實(shí)現(xiàn)需要通過開關(guān)電路來控制。圖3為本文設(shè)計的負(fù)荷預(yù)測開關(guān)結(jié)構(gòu)電路，電路中C1表示的是系統(tǒng)運(yùn)行電容，C2表示的是啟動電容。在電路結(jié)構(gòu)中，三相開關(guān)與雙向開關(guān)具有很大的不同，需要在控制面板布置不同的按鈕，在功能上可以實(shí)現(xiàn)單聯(lián)雙控、雙聯(lián)雙控、三聯(lián)雙控特性。當(dāng)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)控方式不同時，其接線存在不同。通過對預(yù)測開關(guān)的控制可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)不平衡負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測控制。

圖3 負(fù)荷預(yù)測開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 基于大數(shù)據(jù)負(fù)荷預(yù)測軟件實(shí)現(xiàn)

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不斷增大，電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)量不斷增多、系統(tǒng)更加復(fù)雜化，通過利用大數(shù)據(jù)作為預(yù)測基礎(chǔ)，采用不同節(jié)點(diǎn)形成整體預(yù)測模型，從節(jié)點(diǎn)觸發(fā)，通過對不同節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測分析，通過對不同節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行整體分析，獲得電網(wǎng)整體三相不平衡負(fù)荷預(yù)測結(jié)論。對于電網(wǎng)中的三相不平衡的衡量是通過系統(tǒng)正序及負(fù)序分量的占比百分?jǐn)?shù)進(jìn)行表示，圖4為本文采用的大數(shù)據(jù)分析不同節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況示意圖。

圖4 負(fù)荷預(yù)測多節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4中，白色圓表示的是電網(wǎng)中的傳輸專線，通過W1～W33個區(qū)域作為系統(tǒng)的帶預(yù)測分區(qū)，將系統(tǒng)整體作為最高級節(jié)點(diǎn)，單個節(jié)點(diǎn)為第二級節(jié)點(diǎn)，通過對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的分析體現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析。

2.1 三相不平衡負(fù)荷特性

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，可以通過式（1）和式（2）對電網(wǎng)運(yùn)行的三相不平衡度進(jìn)行計算：

式（2）中，λ表示的是電網(wǎng)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)算子；V1表示的是電網(wǎng)出現(xiàn)的正序分量；V2表示的是電網(wǎng)出現(xiàn)的負(fù)序分量；Va、Vb、Vc分別是電網(wǎng)對應(yīng)的三相電壓矢量。在現(xiàn)代智能電網(wǎng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷的現(xiàn)象比較常見。電網(wǎng)輸電線路采用的是三相四線形式，運(yùn)行期間如果三相負(fù)荷平衡，就不會出現(xiàn)中性點(diǎn)電流。但是，由于系統(tǒng)中存在很多單相負(fù)荷對運(yùn)行產(chǎn)生影響，導(dǎo)致單相電流幅值各不相同，中性點(diǎn)電流超過正常范圍時，會導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡負(fù)載。

2.2 多點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測算法實(shí)現(xiàn)

按照上述分析的三相不平衡負(fù)荷特性，對系統(tǒng)中的電流輸入及各隱層之間的關(guān)系可以進(jìn)行綜合分析，得出如式（3）的表達(dá)式：

式（3）中，Si表示節(jié)點(diǎn)i節(jié)點(diǎn)的輸出值；rj表示節(jié)點(diǎn)j輸出值；ωij表示節(jié)點(diǎn)i及節(jié)點(diǎn)j之間的權(quán)值；f表示激勵函數(shù)。利用大數(shù)據(jù)作為模型的訓(xùn)練依據(jù)，通過不斷反復(fù)計算得出模型對應(yīng)的各權(quán)值，指導(dǎo)計算出的結(jié)果符合收斂要求，實(shí)現(xiàn)對權(quán)值的修正。圖5為本文采用的負(fù)荷預(yù)測流程圖。

3 不平衡負(fù)荷預(yù)測應(yīng)用

根據(jù)上述電網(wǎng)不平衡負(fù)荷預(yù)測分析方法，結(jié)合某地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際狀況，利用各種相關(guān)數(shù)據(jù)分析了三相不平衡負(fù)荷預(yù)測模型的合理性及實(shí)際應(yīng)用效果。本文所使用的預(yù)測模型大數(shù)據(jù)是來自某電力公司2019年12月31天的數(shù)據(jù)，按照每15 min進(jìn)行統(tǒng)計。利用前27天的實(shí)際數(shù)據(jù)預(yù)測28、29日的負(fù)荷數(shù)據(jù)，得出如下預(yù)測結(jié)論。

3.1 28日實(shí)際負(fù)荷走向

按照每日用電負(fù)荷的變化，28日負(fù)荷實(shí)際呈現(xiàn)先升后降的趨勢，當(dāng)日12:34—12:57時間段負(fù)荷達(dá)到峰值，為3.4×107kW，因此可以推斷出此時間段的三相不平衡概率最大。

3.2 29日實(shí)際負(fù)荷走向

29日電網(wǎng)運(yùn)行的總體負(fù)荷呈現(xiàn)先升后降再升再降的趨勢，并且當(dāng)日13:20—13:43時間段，電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到最高值，為3.7×107kW，因此此段時間出現(xiàn)三相不平衡概率較大。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)論對比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，本文大數(shù)據(jù)分析所得的負(fù)荷變化與實(shí)際變化趨勢一致。同時,利用大數(shù)據(jù)分析得到在11:56—12:42電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到最低值，而實(shí)際狀況是當(dāng)日11:48—12:34已經(jīng)達(dá)到負(fù)荷最低。同時，利用傳統(tǒng)預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測，得到最低負(fù)荷出現(xiàn)時間為11:02—11:25。由此可以看出，采用大數(shù)據(jù)分析方法預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷更加準(zhǔn)確。

圖5 負(fù)荷預(yù)測實(shí)現(xiàn)流程

4 結(jié) 論

為了能準(zhǔn)確預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)分析方法開展電網(wǎng)三相不平衡負(fù)荷預(yù)測研究，分析了三相不平衡負(fù)荷特性，并制定了系統(tǒng)檢測硬件系統(tǒng)及負(fù)荷預(yù)測軟件實(shí)現(xiàn)方法，通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計合理性及實(shí)用性，對于日后開展電網(wǎng)三相不平衡負(fù)荷研究具有一定的參考價值。